Thermodynamique : énergie et transferts thermiques | Terminale

Système et énergie interne

Système thermodynamique

Portion de l'univers que l'on choisit d'étudier. Le reste de l'univers constitue le milieu extérieur.

Types de systèmes

Type	Échanges avec l'extérieur
Isolé	Ni matière, ni énergie
Fermé	Énergie mais pas de matière
Ouvert	Matière et énergie

L'énergie interne

Énergie interne U

Somme de toutes les énergies microscopiques d'un système : énergies cinétiques des molécules (agitation thermique) et énergies potentielles d'interaction entre molécules.

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L'énergie interne dépend de :

La température
La quantité de matière
La nature du système

Température et agitation thermique

Température

Grandeur macroscopique qui caractérise l'agitation thermique des particules d'un système. Plus l'agitation est grande, plus la température est élevée.

Échelles de température

Échelle	Symbole	Zéro absolu	Point d'eau
Celsius	°C	-273,15 °C	0 °C / 100 °C
Kelvin	K	0 K	273,15 K / 373,15 K

T(K) = T(°C) + 273,15

⚠️

Le zéro absolu (0 K = -273,15 °C) est la température la plus basse possible : l'agitation thermique est minimale.

Les transferts thermiques

Transfert thermique

Transfert d'énergie entre deux systèmes dû à une différence de température. Le transfert se fait toujours du corps chaud vers le corps froid.

Les trois modes de transfert

Mode	Mécanisme	Exemple
Conduction	Propagation dans la matière sans déplacement	Cuillère dans une casserole
Convection	Déplacement de matière (fluides)	Radiateur, courants océaniques
Rayonnement	Ondes électromagnétiques	Soleil → Terre

Flux thermique et résistance thermique

Φ = Q / Δt

Φ : flux thermique (W)
Q : énergie transférée (J)
Δt : durée (s)

Pour une paroi : Φ = (T₁ - T₂) / R(th)

R(th) = e / (λ × S)

R(th) : résistance thermique (K/W ou °C/W)
e : épaisseur (m)
λ : conductivité thermique (W·m⁻¹·K⁻¹)
S : surface (m²)

Conductivité thermique

Matériau	λ (W·m⁻¹·K⁻¹)	Type
Cuivre	380	Conducteur
Verre	1	Intermédiaire
Laine de verre	0,04	Isolant
Air	0,025	Isolant

Capacité thermique

Capacité thermique massique

Quantité d'énergie nécessaire pour élever de 1 K (ou 1 °C) la température de 1 kg d'un corps.

Q = m × c × ΔT

Q : énergie transférée (J)
m : masse (kg)
c : capacité thermique massique (J·kg⁻¹·K⁻¹)
ΔT : variation de température (K ou °C)

Valeurs courantes

Substance	c (J·kg⁻¹·K⁻¹)
Eau	4180
Glace	2100
Air	1000
Fer	450
Cuivre	385

EXEMPLE

Chauffer 2 L d'eau de 20 °C à 100 °C : Q = 2 × 4180 × (100 - 20) Q = 2 × 4180 × 80 = 668 800 J ≈ 669 kJ

Le premier principe de la thermodynamique

Premier principe

L'énergie se conserve : la variation d'énergie interne d'un système est égale à la somme de l'énergie échangée sous forme de travail et de chaleur.

ΔU = W + Q

ΔU : variation d'énergie interne (J)
W : travail reçu par le système (J)
Q : chaleur reçue par le système (J)

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Convention de signe :

Q et W positifs : le système reçoit de l'énergie
Q et W négatifs : le système cède de l'énergie

Applications

Système isolé : ΔU = 0 (pas d'échange)

Transformation isochore (volume constant) : W = 0, donc ΔU = Q

Transformation adiabatique (pas d'échange de chaleur) : Q = 0, donc ΔU = W

Bilan énergétique

Comptabilisation de tous les transferts d'énergie entrant et sortant d'un système.

Pour un bâtiment

Entrées :

Chauffage
Rayonnement solaire
Activités intérieures (personnes, appareils)

Sorties :

Pertes par les parois (conduction)
Pertes par renouvellement d'air
Rayonnement vers l'extérieur

En régime permanent : Σ(énergies entrantes) = Σ(énergies sortantes)

Notion d'entropie

Entropie S

Grandeur qui caractérise le désordre d'un système. Elle ne peut que croître (ou rester constante) pour un système isolé.

Deuxième principe de la thermodynamique

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Énoncé : L'entropie d'un système isolé ne peut que croître ou rester constante. ΔS(isolé) ≥ 0

Cela explique l'irréversibilité des phénomènes naturels.

Conséquences

La chaleur passe spontanément du chaud vers le froid (jamais l'inverse)
Un système tend vers l'équilibre thermique
Les transformations spontanées sont irréversibles

EXEMPLE

Un glaçon dans un verre d'eau fond et refroidit l'eau. Le processus inverse (l'eau qui se réchauffe spontanément en reformant un glaçon) n'existe pas, car il diminuerait l'entropie totale.

Machines thermiques

Machine thermique

Dispositif qui convertit de l'énergie thermique en travail mécanique (moteur) ou utilise du travail pour transférer de la chaleur (pompe à chaleur, réfrigérateur).

Rendement d'un moteur thermique

η = W / Q(c)

η : rendement (sans unité, entre 0 et 1)
W : travail fourni (J)
Q(c) : chaleur reçue de la source chaude (J)

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Théorème de Carnot : Le rendement maximal d'un moteur thermique est : η(max) = 1 - T(f) / T(c)

avec T en Kelvin.

EXEMPLE

Moteur entre T(c) = 600 K et T(f) = 300 K : η(max) = 1 - 300/600 = 1 - 0,5 = 50%

Le rendement réel sera toujours inférieur.

Coefficient de performance (COP)

Pour une pompe à chaleur ou un réfrigérateur :

COP = Q(utile) / W

Pompe à chaleur : Q(utile) = chaleur fournie au local
Réfrigérateur : Q(utile) = chaleur extraite du compartiment froid

Exercices

On chauffe 500 g d'eau de 15 °C à 85 °C. Calculer l'énergie nécessaire (c(eau) = 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹).
Une paroi de 20 cm d'épaisseur a une conductivité λ = 0,5 W·m⁻¹·K⁻¹. Calculer sa résistance thermique pour 1 m².
Un système reçoit 500 J de travail et cède 300 J de chaleur. Calculer la variation d'énergie interne.
Calculer le rendement maximal de Carnot pour un moteur fonctionnant entre 400 K et 300 K.
Pourquoi un réfrigérateur ne refroidit-il pas la pièce où il se trouve ?

Points clés à retenir

Énergie interne U = somme des énergies microscopiques
Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement
Q = m × c × ΔT
Premier principe : ΔU = W + Q (conservation de l'énergie)
Entropie : mesure du désordre, ne peut que croître (isolé)
Rendement de Carnot : η(max) = 1 - T(f)/T(c)
Les transferts thermiques vont du chaud vers le froid